1.1 通信网的组成和功能

通信网是通信网络的简称。通信在港澳台地区称为通信，网络也称为网路。从词语结构上讲，通信网首先是一种网络，其次，它关注的是信息传输。

通信是网络的基础，网络使通信变得经济有效。通信考虑的是发送方如何通过信号把信息传送给接收方。通信网考虑的是如何把众多的通信方组织起来，当任意两个通信方需要通信时，为通信双方建立一条信号传输通路，把信息以消息的形式传送给对方。信息是通信网传输和处理的对象，或者说信息是通信网要传输的任何内容。消息是信息的表现形式，使用一定的数据格式来表示。信号是消息的物理载体，使用电、光、声等手段传输消息。

1.1.1 通信网的定义和概念

通信网就是在一定范围内把通信设备和传输媒介按一定顺序相互连接而形成的有机组合系统，用于完成两个用户终端之间或多个用户终端之间的通信。

从用户观点来看，用户不清楚也不关心通信网是如何把信息传输给对方的，通信网对用户来说就像云一样，用户看不到其运作机制，因此，常使用云状图来表示通信网，如图1-1所示。所谓的云电视、云盘、云计算等的“云”指的就是网络。

用户使用通信网时最为关心的是网络的数据传输速率，也称为网络带宽。数据传输速率就是每秒传输的数据位数，单位是 bit/s（比特/秒或位/秒），在很多资料上也常用 bps 来表示。数据传输速率衡量的是信息量传输的快慢，也称为传信率。另一个与传输速率相关的概念是符号速率，用于衡量信号传输的快慢，单位是波特，表示每秒传输的码元个数。

严格来讲，术语“带宽”指的是信号频谱的宽度或者是信号传输系统允许通过的信号频率范围，单位是 Hz（赫兹）。当传输系统的带宽、信噪比等参数确定后，该传输系统能够达到的最大数据传输速率也就相应确定了，这就是常把数据传输速率称为网络带宽的缘由。

网络带宽与平常所说的网络下载速率或上传速率稍有不同。网络带宽指的是传输线路或网络设备能够达到的最大数据传输速率，下载速率一般指的是用户数据的实际接收速率。与网络带宽相比，下载速率的单位一般用 B/s（字节/秒）表示。例如，当用户开通带宽为100Mbit/s的上网业务时，理论上，下载速率最大为100/8=12.5MB/s。由于网络在传输用户数据时，还需要传输一些控制信息，更主要的是还要考虑网络拥塞、出错重传等所消耗的时间，因此，实际下载速率通常要小于12.5MB/s。值得注意的是，在表示数据传输速率时，Gbit/s、Mbit/s、kbit/s 和 bit/s 之间是1000倍数的关系，并不是210的进制关系。

在网络中传输数据信号时，用户到网络方向的信道称为上行信道，网络到用户方向的信道称为下行信道。如果上、下行信道的数据传输速率一致，则称为对称通信；如果上、下行两个方向的数据传输速率不相同，则称为非对称通信。

按照信道中信号的传输方向和同时性，通信方式又分为单工通信、半双工通信和全双工通信等几种类型。

单工通信只允许数据向一个方向传输，适用于广播通信，其典型例子是广播电视网络。单工通信中的信号只能固定向一个方向传送，不能反方向传送，因此，利用广播电视网络访问互联网时，最重要的一个环节就是进行信道双向改造。

半双工通信具有双向传输信号的能力，但同一时间里，双方不能同时发送信号，只能轮流发送，其典型例子是对讲机通信。半双工通信只有一条传输信道，当数据传输方向改变时，需要进行信道的切换或争用，会消耗一定的时间。

全双工通信指双方可同时发送信号，同时接收信号。全双工通信的传输效率高，但需要两条信道。主干通信网络基本上都采用全双工通信方式。

1.1.2 通信网的组成

通信网由通信设备、传输媒介和用户终端组成。根据通信网用途的不同，这些组成元素也各有不同。

1.通信设备

网络中的通信设备利用各种通信技术传输信息，达到互联互通的目的。最为常见的通信设备是路由器和交换机。

路由器的基本功能是路由选择。路由器根据所传输数据的目的地址，选择一条合适的数据传输路径，然后把数据转发到路径中的下一个节点。除此之外，目前大多数路由器中还集成了很多其他的附加功能，如防火墙、网络地址转换（Network Address Translation,NAT，用于把内网地址转换成外网地址）、动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol ,DHCP，用于分配网络地址等）、虚拟专用网（Virtual Private Network,VPN，用于在公共网络中建立私有网络）等。这些功能在网络中十分重要，又全部使用软件来实现，因此将这些功能集成在路由器中是较为常见的做法。路由器用于连接两个或两个以上的网络，这些网络可以是同一个网络中的各个子网，也可以是不同类型的网络。

交换机的基本功能是把数据直接转发给交换机端口所连接的设备。交换机能够识别从输入端口传送过来的数据，并发送到相应的输出线路上。输入端口到输出端口之间的数据转发是由硬件实现的，用于连接同一个网络中的各种设备。

另外，中继器、放大器、集线器、调制解调器、光端机、多路复用器、配线架、数字交叉连接设备、分插复用器、媒体网关等也是某些通信网的重要组成设备。在网络管理中，这些网络设备又统称网络单元，简称网元。

2.传输媒介

传输媒介是信号传输的物理通路，可分为有线媒介和无线媒介两大类。

有线媒介也称为导向媒介，电磁波被引导沿某一固体媒介行进，如双绞线、同轴电缆、光纤、电力线等。对于有线媒介，信号传输的限制主要取决于媒介自身的特性。

双绞线由两根对等对称的绝缘芯线按照规则的螺旋状绞合在一起而成。芯线大都为软铜线，线径尺寸从0.4mm 至1.4mm 不等。扭绞一周形成的芯线长度称为绞距，一般为零点几厘米到十几厘米之间。扭在一起的线对可以减少电磁干扰。当电流在一条导线中流通时，会产生一定的电磁场，干扰相邻导线上的信号，频率越高这种影响就越大。双绞线就是利用两条导线绞合在一起后，由于相位相差180度，从而抵消相互间的干扰。绞距越小，抵消效果越佳，也就越能支持较高的数据传输速率。

双绞线分为屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair,STP）和无屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair,UTP）两种。屏蔽双绞线的金属屏蔽层一般为铝箔或铜网。俗称的“网线”指的是无屏蔽双绞线，它由4对双绞线组成，总共8根线。目前市场上也有4芯（2对双绞线）的网线。

根据传输能力，双绞线分为1～7类。3类双绞线的绞距一般为7.5 cm到10 cm，传输速率为10 Mbit/s。5类双绞线的绞距从0.6 cm到0.85 cm，传输速率为100 Mbit/s。双绞线除了用于组建计算机局域网外，固定电话机到电话局之间（确切地讲是分线盒到电话交换机之间）的线路也使用双绞线。

同轴电缆由一个金属圆管（外导体）和一根位于金属圆管中心的导线（内导体）组成。内导体采用半硬铜线，外导体采用铜带或铝带纵包而成，内外导体间用聚乙烯等塑料制成的垫片绝缘。在外部有密闭的护套，护套保护缆芯免遭外界机械、电磁或化学损坏，常用的有铅护套、铝护套、钢护套、塑料护套等。目前，同轴电缆主要用于有线电视网络（Common Antenna TV,CATV），阻抗为93Ω（欧姆）。

光纤是光导纤维的简称，是通过全反射传输光信号的一种传输媒介。光纤由纤芯和包层组成，通常外面会包上塑料套管用于保护纤芯。纤芯材料通常是二氧化硅掺以锗和磷，包层材料是纯二氧化硅，这样，纤芯的折射率就比包层的折射率高1%左右，从而使光以全反射的形式局限在纤芯内向前传播，形成光波导。

光纤通信系统使用的光源有两种类型：发光二极管（Light Emitting Diode,LED）和注入式激光二极管（Injection Laser Diode,ILD）。发光二极管比较便宜，注入式激光二极管支持的数据速率比较高。

光纤可分为单模光纤和多模光纤两类。如果纤芯的直径在8μm 以下，则光在波导管中的传播只有一种模式，即光以轴向射线通过光纤，这样的光纤称为单模光纤；如果光纤的直径较粗，则光波导中可能有多重传输路径存在，这样的光纤称为多模光纤。多模光纤又分为阶跃型光纤和渐变型光纤两种。如果纤芯和包层是由两种折射率截然不同的材料构成，则光线在纤芯中的传播是按折线行进的，这种光纤称为阶跃型光纤；如果折射率从纤芯到包层是逐渐降低的，则光线在光纤中的传播是按曲线行进的，这种光纤称为渐变型多模光纤。

光纤已成为当前通信网主要的传输媒介，主要用于通信网的长途干线。随着“光纤到户”战略的推进，以前使用双绞线和同轴电缆的场合，目前都已逐渐被光纤所取代。

电力线通信技术（Power Line Communication,PLC）是指利用电线传输数据信号的一种通信方式。只要具备 PLC 调制解调器，就可以通过房间里任意一个电源插座上网。PLC 的好处是不用额外布线就能实现上网、打电话、有线电视等多种应用。电力线上网的速率一般为14Mbit/s，某些电力线上网设备可提供高达200Mbit/s的速率。

无线媒介也称为非导向媒介，也就是在大气层、外太空或水中行进的电磁波、光波、声波传输，如微波、卫星、短波、激光、可见光、红外线和水声通信等所用的无线线路。

对于电磁波无线媒介，信号的传输特性主要取决于天线的类型和电磁波的工作频率。无线电信号的传播一般有3种形式：地波传播、天波传播和视距传播。地波传播沿着地球表面轮廓传播，能够到达很远的地方，如调幅收音机中的中波无线电广播，工作频率大约在2 MHz 以下。天波传播依靠高层大气电离层的多次反射，把信号传播到几千千米远的地方，如调幅收音机中短波无线电广播，工作频率在2 MHz到30 MHz之间。视距传播只能在视觉距离内进行通信。当然，由于折射的缘故，无线电视距要比光学视距远一些。当工作频率高于30 MHz时，就只能使用视距传播。

微波通信是利用无线电波在对流层的视距范围内进行传输的一种通信方式。微波的频率范围为300MHz 至300GHz，传播距离一般只有50km 左右。微波损耗的主要来源是衰减和干扰，受天气和地形的影响较大。以前，通信网也会使用微波接力通信的方式建设长途干线，目前只有在不便部署光纤的地理环境中，才考虑部署微波线路。

通信卫星实际上是一个微波中继站，它利用卫星上面的通信转发器，接收地面站发射的信号，将信号放大、变频后，再向下转发到别的地面站，从而完成两个地面站之间的信号传输。卫星通信有两个特殊性质：一是长时延性，从一个地面站发射到另一个地面站接收，大约有0.26秒的传播延迟，一些差错控制方式必须考虑这种长时延的影响；二是广播性，在卫星的整个覆盖区域内均可收到卫星发射的信号。

激光通信分为空间通信（无线）和光波导通信（光纤，有线）两种。无线激光通信以激光为载波，在外太空、大气和水中传输数据。2012年中国“海洋二号”卫星与地面之间采用无线激光通信的速率达到500Mbit/s。无线激光通信也可用于两座楼之间的通信。无线激光通信容易受到天气、阳光等环境因素的影响。

可见光通信（Visible Light Communication,VLC）是通过灯光的快速闪烁来传输数据。所谓的Li-Fi技术就是在普通的LED灯泡上加装一个芯片，使灯泡以极快的速率闪烁，人眼无法察觉闪烁，却能通过闪烁来传递数据信号。灯泡相当于 Wi-Fi 网络中的“热点”，其传输速率目前可达1Gbit/s。

红外线通信利用红外线作为传递数据的媒介。红外线波长范围为0.70μm～1mm，其特点是受气候影响较大，无法穿越障碍等。家用电器的遥控器通常使用的就是红外线通信方式。

水声通信是利用声波作为载波在水中传输数据的通信方式。由于电磁波在水中的衰减程度很大，无线电波在水中传播必须使用频率极低的波段，传输速率较低，传输距离也很短。利用声波可以在水中长距离传播的特性，水声通信通过水声调制解调器把电信号转换成声波来传输数据。水声调制解调器在发送数据时，通过水声换能器的电致伸缩效应将电信号转换成声信号发送出去。接收数据时，利用水声换能器的压电效应进行声电转换，将接收到的信号还原成数据。

3.终端设备

根据通信网的用途，终端设备大小不一，种类繁多。最常见的终端设备有电话机（手机和座机）、计算机和电视机。另外，自动柜员机、自动售票机、传真机、车载终端、智能冰箱和传感器节点等也都是通信网的终端设备。

终端设备可分为非智能终端和智能终端两种。两者最大的区别在于是否具备数据处理功能。

非智能终端不具备数据处理能力，只具备简单的通信功能。例如，普通电话机只具备声波与音频电信号的转换功能。所谓的“哑终端”只具备键盘和显示器，键盘按键都需要先送到中央计算机处理后，再发送回显示器进行显示。

智能终端中嵌入了处理器芯片甚至操作系统，可以对数据进行必要的处理，并具备先进的复杂通信功能。智能终端的典型例子是智能手机。智能手机常见的操作系统主要有Android、iOS、Windows 等。目前很多手机厂商都推出了自己的操作系统，这些操作系统基本上都是基于 Android 系统的，Android 系统的内核是 Linux 操作系统。很多其他类型的智能终端会直接采用Linux系统进行开发。

计算机无疑是一种智能终端，只不过它使用的是通用操作系统。随着嵌入式系统的发展，通用操作系统和嵌入式操作系统逐渐走向统一，智能终端与计算机之间的数据处理能力差异也越来越小，例如，智能手机实际上就是一台手持计算机。

根据计算能力和通信能力的强弱，计算机可分为客户机和服务器两种类型。客户机有台式机、笔记本计算机、平板电脑等；服务器是一种处理性能相对较高的计算机，可以是个人计算机、专用服务器或者超级计算机。

在互联网中，服务器通常放在电信大楼的数据机房中，也可以集中起来，组成服务器集群，放在专门建造的数据中心大楼里。按应用分类，网络服务器可分为邮件服务器、文件服务器、Web服务器、视频点播（Video On Demand,VOD）服务器、数据库服务器、域名服务器（Domain Name System,DNS）、网络传真服务器、打印服务器等。

1.1.3 通信网的拓扑结构

在通信网中，通信设备称为节点，用户终端称为端点或站点，节点和端点在图论中统称为点，传输媒介相当于线，因此，通信网可看作是由点和线组成的连接图，网络拓扑就是指通信网中各个点相互连接的方法和形式。使用网络拓扑可以简化通信网的分析，例如，选择最佳路径、定位故障点、避开瓶颈链路等。

网络拓扑结构反映了组网的一种几何形式。网络拓扑结构与网络的传输媒介、可靠性、组网费用、维护管理和性能等密切相关，因此，网络拓扑的选择是组建通信网的第一步，也是关键的一步。通信网有总线型、星型、环型、树型、网状型以及混合型等多种拓扑结构，如图1-2所示。

1.星型拓扑结构

星型拓扑有一个中心节点，通常为交换机或集线器，网络中的每一个节点都通过一条单独的连接线与中心节点相连。在星型网中任何两个节点要进行通信都必须经过中央节点，中央节点把一个节点发送来的数据送往目的节点或广播到所有节点。

星型拓扑的优点是网络结构简单、容易实现、便于维护。每个节点直接连到中央节点，故障容易检测和隔离，单个连接的故障只影响一个设备，可以很方便地将有故障的节点从系统中隔离开，不会影响全网。

星型拓扑的缺点是中央节点负荷太重，布线不方便。中心节点是全网络的通信瓶颈，中心节点出现故障会导致网络的瘫痪，所以对中央节点的可靠性和冗余度要求很高。星型拓扑中每个节点直接和中央节点相连，需要大量电缆，不容易布线，费用也较高。

星型拓扑是目前组建计算机局域网常用的拓扑结构，组网时中心节点一般为交换机，计算机通过双绞线连接到交换机上，联网计算机的数量取决于交换机的端口数。

2.总线型拓扑结构

总线型拓扑是一种共享媒介的结构，它有一条公共的传输线（称为总线），网络中的所有设备通过相应的硬件接口直接连接到这条总线上。站点之间按广播方式通信，一个站点发出的数据，总线型上的其他站点均可接收到。

总线型拓扑结构的优点是结构简单、布线容易，组建规模较小的网络时容易实现。缺点是所有数据都需经过总线传送，总线成为整个网络的通信瓶颈，长度也受限制，故障诊断较为困难，传输媒介或中间任一接口点出现故障，整个网络就会瘫痪。早期由同轴电缆组建的计算机以太网采用的就是总线型拓扑结构。目前在组建有线传感器网络时也常采用总线型拓扑结构。

由于所有的站点共享一条公用的传输媒介，两个或两个以上的站点同时发送时，信号就会发生冲突，所以一次只能有一个站点发送，也就是说，总线型网络是半双工通信方式。这样就需要某种形式的媒介访问控制策略，以决定哪一个站点可以发送。

3.环型拓扑结构

环型拓扑结构有一条首尾相连的闭合环型通信线路，各站点通过转发器、交换机、分插复用器等连接到环路上，环路中各站点地位相同。环型网络可以是广播网络，也可以是交换网络；可以是单环网络，也可以是双环网络，当采用双环时，数据可以双向同时传输。

环型拓扑的优点是线缆数量少，路由选择简单，适合使用光纤，传输距离远，可靠性高。早期的环型网络通常为共享媒介的局域网，目前常用于城域网和广域网。数据在环型网中沿固定方向流动，两个站点间只有唯一的一条通路，简化了路径选择的控制。环型网络易于组建自愈网络，当双环网络中的一条环路出现故障时，可以自动转换成单环网络继续运行。

环型拓扑的缺点是站点只能沿着环路部署，如果是共享媒介组网，则媒介访问控制比较复杂。目前环型拓扑常用于组建城域网或广域网的主干网，成为混合拓扑结构的一部分。

城域网中使用的弹性分组环（Resilient Packet Ring,RPR）网络采用的就是环型拓扑结构，而且是互逆双环拓扑结构，即两个环的传输方向相反。RPR 采用光纤作为传输媒介，使用三层交换机连接各站点，速率一般在1Gbit/s以上。

4.树型拓扑结构

树型拓扑结构是一种层次结构，形状像一颗倒置的树，根节点称为头端，从头端开始伸出一条或多条线路，每条线路都可以有分支。数据在上下节点之间传输，相邻节点或同层节点之间不能进行数据交换。

树型拓扑的优点是连接简单、成本低、扩充方便、适用于汇集信息的应用要求。网络中任意两个节点之间不产生回路，每个链路都支持双向传输，故障隔离容易。

树型拓扑的缺点是资源共享能力较低、可靠性不高。网络对根节点的依赖性太大，如果根节点发生故障，则全网瘫痪。一般一个分支节点的故障会影响它下面的子节点，但不影响另一分支节点的工作。

树型网络可以是广播网络，如有线电视网，也可以是小规模的交换网络，如小型的园区网络。

5.网状型拓扑结构

网状型拓扑结构的站点之间连接是任意的，没有规律。广域网基本上采用网状型拓扑结构。特殊情况下，网络中任意两个站点都直接相连，具有这种网状拓扑的网络称为全连接网络。全连接网络只能在小范围内实现。

网状型拓扑的优点是系统可靠性高、扩展容易。任意两个节点交换机之间一般存在一条以上的通信路径，这样，当一条路径发生故障时，还可以选择另一条路径。网状型拓扑可组建成各种形状，采用多种通信信道和多种传输速率。网状型拓扑可选择最佳路径，改善线路的信息流量分配，减少传输时延。

网状型拓扑的缺点是结构复杂、控制复杂、网络协议复杂、建设成本高。由于每一个节点都与多个节点连接，因此必须采用路由选择算法和流量控制方法。

6.混合型拓扑结构

混合型拓扑结构是将多种网络拓扑结构混合起来构成的一种网络拓扑结构。组建混合型拓扑结构的网络有利于发挥各种网络拓扑结构的优点，克服相应的局限。例如，星环拓扑结构就是将星型拓扑和环型拓扑混合起来的一种拓扑，它试图取这两种拓扑的优点于一个系统。

混合型拓扑的优点是取长补短、故障诊断和隔离方便、易于扩展、安装方便。缺点是需要各种互联设备进行协议转换。

1.1.4 通信网的功能

通信的目的是为了实现信息交换，通信网的目的除了实现信息交换外，还应该考虑网络上的资源共享，以及为用户提供一个便利的分布式处理环境。为了实现这些目标，并且更加可靠、有效地传输信息，通信网应该具备如下功能。

（1）网络接口。网络接口是实现互联互通的基本条件。网络接口包括用户设备与网络设备之间的接口、网络设备之间的接口、不同网络之间的接口等。接口可能是无线的，也可能是有线的；可能是光接口，也可能是电接口；传输的可能是模拟信号，也可能是数字信号。可以说，网络接口的不同直接影响网络本身的发展。通过尽可能少的接口标准，使用户连接到不同的网络，一直是信息通信技术（Information Communication Technology,ICT）行业努力的目标。

（2）同步。广义上讲，同步是指通信实体按预先指定的次序协同工作。狭义上讲，同步是指设备按照统一的时钟信号收发数据。通信网中的时钟同步涉及三个层次：位同步、帧同步和网同步。位同步能够使收发器之间知道每一个信号元素的长度和间隔，正确判定所传输的0、1比特流。帧同步可以从连续的比特流中界定出所传输的数据块。网同步能够为全网设备提供统一的基准时钟信号，网络中的所有设备都按照该基准时钟收发数据。

（3）差错控制。由于噪声、时钟偏差、设备故障等原因，数据在传输过程中不可避免地会出现差错。通信网应该能够对所传输的数据进行差错检测和纠正。差错控制技术采用的方法取决于在多大程度上可以容忍所出现的差错。差错控制方法通常分为三种：重发纠错、前向纠错和混合纠错。重发纠错就是当发现传输的数据出错时，发送方会重新发送该数据。前向纠错采用纠错编码的方式发送数据，接收方检测到数据出错时，可以根据纠错编码算法把出错的比特纠正过来。混合纠错就是把重发纠错和前向纠错结合起来，平时采用前向纠错，当出错位数较多，超出纠错编码的纠错范围时，再采用重发纠错方法纠正错误。

（4）寻址和路由。寻址技术解决每台设备的标识问题，使数据能够提交给指定的接收方。一台设备可能使用多个不同类型的地址来标识，如主机名、域名、网络地址、物理地址、频段、信道号等。通信网除了设备寻址外，还需要解决各种地址之间的映射关系。在通信网中，通信双方之间可能存在多条传输路径，路由技术可以在不同的传输路径中选择一条适当的路径。

（5）拥塞控制。由于网络设备的处理能力和带宽资源的不足，网络经常出现拥挤和堵塞的现象。当数据堆积在设备的缓冲区来不及处理时，一旦缓冲区溢出，数据就被丢弃了，这时用户就会感到上网出现卡顿现象。网络拥塞可以通过网络规划、资源预留、带宽管理和流量控制等手段来解决，其中，流量控制也是通信网的基本功能。流量控制用来解决宿端过载问题，即当发送方发送的数据超过接收方能够处理和接纳的能力时，双方通过某种措施使发送方暂停发送数据，等接收方不忙时，发送方再继续发送数据。

（6）安全和管理。网络安全包含加密和认证两个方面。加密使得第三方无法破解所传输的信息，认证使得数据不被篡改以及通信方不被冒充。网络管理能够对网络运行状态进行监控，对网络设备的失效和超载做出反应，当网络崩溃时能够采用恢复技术尽量减少损失，能够通过适当的配置提高系统的利用率，并且能够灵活地为未来发展进行规划。